JP2001073726A - チタン合金製エンジンバルブ及びその表面処理方法 - Google Patents

チタン合金製エンジンバルブ及びその表面処理方法

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JP2001073726A JP24954999A JP24954999A JP2001073726A JP 2001073726 A JP2001073726 A JP 2001073726A JP 24954999 A JP24954999 A JP 24954999A JP 24954999 A JP24954999 A JP 24954999A JP 2001073726 A JP2001073726 A JP 2001073726A
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Yuji Takano
雄次 高野
Hiroaki Asanuma
宏昭 浅沼
Ryosuke Haneda
亮介 羽田
Masahito Hirose
正仁 廣瀬
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Fuji Oozx Inc
Fuji Valve Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 弁体の表面の耐摩耗性を、窒化処理やメッキ
等の表面処理によることなく向上させる。 【解決手段】 軸部1の一端に傘部2が連設されたチタ
ン合金よりなる弁体3における他の動弁部品と接触する
部分5、6、7、8に、酸化層4を形成するとともに、
その酸化層4を含む少なくとも耐摩耗性又は疲労強度の
要求される弁体3の表面に、浸炭層9を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、耐摩耗性及び強度
を向上させたチタン合金製エンジンバルブ及びその表面
処理方法に関する。
【0002】
【従来の技術】エンジンの許容回転数を高める上で最も
障害となるのは、動弁系部品の重量による慣性質量の増
加であり、動弁系の構成部品の総重量が大となると、そ
の慣性のために、高速回転になるほど、弁体のカムに対
する追従性が低下し、エンジンの出力等の性能は低下す
る。
【0003】このような観点から、弁体すなわちエンジ
ンバルブ(以下、バルブと略称する)を、従来の耐熱鋼
に代えて、低比重で、かつ耐熱性にも優れるチタン合金
により成形することにより、バルブの軽量化を図る試み
がなされている。
【0004】しかし、チタン合金は、活性を有するた
め、他の金属と凝着を起こし易く、また耐摩耗性や疲労
強度等も十分でない。そのため、チタン合金よりなるバ
ルブの表面に、窒化処置(TiN)やNiメッキ等による
表面処理を施して、耐摩耗性を向上させているのが一般
的である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記の窒化処理を施し
たバルブは、十分な強度(硬度)及び耐摩耗性を有して
いるが、硬質となり過ぎるため、相手攻撃性が大きく、
バルブと接触する他の動弁系部品の材質を変更するなど
の対策が必要となり、コスト高を招く。
【0006】Niメッキ等の表面処理を施したバルブ
は、耐熱性が十分ではなく、排気バルブとして使用する
には不適当である。
【0007】本発明は、上記問題点に鑑みてなされたも
ので、窒化処理やメッキ等によることなく、耐摩耗性や
強度を大幅に向上させうるようにした、チタン合金製エ
ンジンバルブ及びその表面処理方法を提供することを目
的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明のチタン合金製エ
ンジンバルブによると、上記課題は、次のようにして解
決される。 (1)軸部の一端に傘部が連設されたチタン合金よりな
る弁体における他の動弁部品と接触する部分の表面に、
酸化層を形成するとともに、その酸化層を含む少なくと
も耐摩耗性又は疲労強度の要求される弁体の表面に、浸
炭層を形成する。
【0009】(2)上記(1)項において、酸化層の下層
を針状組織とする。
【0010】(3)上記(1)又は(2)項において、弁体
を、α相、α+β相、少量のβ相を含むα+β相、又は
β相よりなるチタン合金のいずれかにより形成する。ま
た、本発明のチタン合金製エンジンバルブの表面処理方
法によれば、上記課題は、次のようにして解決される。
【0011】(4)チタン合金よりなる弁体の他の動弁
部品と接触する部分の表面を、酸素を含む雰囲気中で加
熱して酸化させることにより、酸化層を形成したのち、
その酸化層を含む少なくとも耐摩耗性又は疲労強度の要
求される弁体の表面を、変態点以下の温度に加熱して浸
炭処理を施して、浸炭層を形成する。
【0012】(5)上記(4)項において、浸炭処理を、
高密度エネルギ加熱手段を用いて行う。
【0013】(6)上記(4)または(5)項において、酸
化層を、酸素を含む火炎により形成する。
【0014】
【発明の実施の形態】図1は、本発明のチタン合金製エ
ンジンバルブを示すもので、軸部(1)の下端に傘部(2)
が連設された弁体(3)は、Ti−Al系の合金、例えばα
相よりなるTi−5Al−2.5Sn系合金、α+β相よ
りなるTi−6Al−4V系合金、β相を少量(10%以
下)含有するα+β相(Nearα)よりなるTi−6Al
−2Sn−4Zr−2Mo系合金により成形されている。
【0015】弁体(3)におけるより高い耐摩耗性又は疲
労強度が要求される部位、すなわち、バルブシートと当
接する弁フェース部(5)、バルブガイドと摺接する軸部
(1)の中間部(6)、コッタが止着される環状凹溝(7)、
及びロッカアーム又はタペットが接触する軸端面(8)の
表層には、TiO2を含む10〜15μm程度の厚さの酸
化層(4)(図では誇張して示してある)が形成され、こ
の酸化層(4)と弁体(3)の素材との境界層(4a)は、針状
組織化している。
【0016】上記酸化層(4)は、弁体(3)の表面を、酸
素と燃料ガス(アセチレン、プロパン、天然ガス等)の
火炎により、所定の温度に加熱し、表層を酸化させるこ
とにより形成される。なお、酸化層(4)は、上記火炎に
よる外、高周波誘導加熱手段を用いて形成することもで
きる。
【0017】上記酸化層(4)を形成したのち、この酸化
層(4)を含む弁体(3)の全表面には、浸炭処理により、
TiCを含む3〜5μm程度の厚さの浸炭層(9)が形成
されている。
【0018】この浸炭層(9)は、プラズマ、レーザ又は
電子ビーム等の高密度エネルギ加熱手段により、弁体
(3)の表面を変態点以下の温度(約800℃以下)まで
加熱し、例えばガス浸炭法により炭素を拡散浸透させる
ことにより形成される。
【0019】プラズマ等の高密度エネルギ加熱手段を用
いると、表層のみが短時間で局部的に加熱され、内部ま
で熱が伝達されるのが防止されるので、弁体(3)の素材
内部の組織が変化し、疲労強度が低下するのが防止され
る。また、浸炭時間が短縮される利点もある。
【0020】上記実施形態のように、弁体(3)を、Ti
−Al系合金、すなわちα相、α+β相又はβ相を少量
含むα+β相よりなるチタン合金により形成し、その表
面全体に浸炭層(9)を形成すると、弁体(3)自体の組織
がほぼ等軸状をなしていることと相まって、弁体(3)が
強化され、その引張延性や疲労強度が高まる。疲労強度
については、浸炭層(9)を形成したのみで、約20%向
上することを確認している。
【0021】また、さらに、他の動弁部品と接触する弁
フェース部(5)等の表面に酸化層(4)を形成し、その下
方の境界層(4a)を部分的に針状組織化すると、弁体(3)
全体の疲労強度を低下させることなく、表層の耐摩耗性
及び靱性を大幅に向上することができる。
【0022】なお、酸化層(4)及び浸炭層(9)を形成し
た部分は、従来の窒化処理のように硬質となり過ぎるこ
とはないので、他の動弁部品に対する相手攻撃性が大き
くなることはない。
【0023】本願の発明者は、上記の要領で表面処理を
施した試験片を製作し、摩耗試験を行った。まず摩耗試
験機と試験方法について説明する。図2は、クロスバー
摩耗試験機と称されるもので、水平をなすモータ(10)
と、その回転軸(10a)の先端の直上に、軸線同士が直交
するように上下動可能に設けられた、試験片の固定治具
(11)と、この固定治具(11)上に載置される錘(12)とから
なっている。
【0024】試験方法としては、まず回転軸(10a)の先
端部に、相手部材としてのスチール製の円板状のチップ
(13)を、外周面を平滑に研磨するとともに、脱脂処理し
て同心状に取付ける。
【0025】ついで、固定治具(11)の下面に、脱脂処理
された、下端面が平滑な軸状の試験片(14)を下向きに取
付けたのち、その下端面の外周部寄りを、チップ(13)の
上端面に接触させる。
【0026】ついで、固定治具(11)の上面に1kgの錘(1
2)を載せたのち、モータ(10)を作動させ、チップ(13)を
一定速度で回転させる。錘(12)は、チップ(13)と試験片
(14)との摺接部が50m摺動する毎(モータの回転数と
チップの外径により検出する)に、500gずつ追加し
ていく。
【0027】試験は、試験片(14)におけるチップ(13)と
の摺接面に焼き付きやかじり等が発生するか、又は35
0m摺動したところで終了する。上記試験方法により得
られた結果を図3に示す。図3において、試験片(A)
は、表面に硬化処理を施していない通常のTi−Al系の
合金(α合金)、(B)は、Ti−6Al−4Vよりなる合
金に浸炭層のみを形成したもの、(C)は、Ti−6Al
−2Sn−4Zr−2Moよりなる合金に、同じく浸炭層
のみを形成したもの、(D)は、上記(B)に酸化層を形成
し、さらに浸炭層を形成したもの、(E)は、上記(C)に
酸化層を形成し、さらに浸炭層を形成したものを示して
いる。
【0028】図3から明らかなように、浸炭層のみを形
成した試験片(B)(C)における焼き付き等発生摺動距離
は、硬化処理を施していない通常の試験片(A)に比し
て、かなり向上しており、また、上記試験片(B)(C)に
酸化層を形成し、さらに浸炭層を形成した試験片(D)
(E)の焼き付き等発生摺動距離は、大幅に延び、特に、
試験片(E)(Ti−6Al−2Sn−4Zr−2Mo)につ
いては、350mまで摺動させても焼き付き等の発生は
なく、極めて高い耐摩耗性を有することが立証された。
【0029】以上説明したように、本発明においては、
弁体(3)における他の動弁部品と接触する部分にのみ酸
化層(4)を形成し、部分的に針状組織化したのち、表面
全体に浸炭層(9)を形成しているため、弁体(3)自身の
疲労強度を低下させることなく、表層の耐摩耗性や靭性
をより向上させることができる。
【0030】なお、上記酸化処理を施す前に、弁体(3)
の表面にレーザビーム加工等に用いられるカーボンスプ
レーによる被膜を形成してもよく、このようにすると、
表面の反射が抑えられるので、酸化層(4)が容易に形成
される。
【0031】本発明は、上記実施形態に限定されるもの
ではない。上記実施形態では、弁体(3)における他の動
弁部品と接触する部分に酸化層(4)を形成し、その下方
の境界層(4a)を針状組織化しているが、このような針状
組織を形成しないで、酸化層(4)のみを形成することも
ある。
【0032】また、上記実施形態では、弁体(3)の材料
として、α相、α+β相、又はβ相を少量含むα+β相
よりなるチタン合金を用いているが、β相よりなるチタ
ン合金を用いることもある。
【0033】
【発明の効果】請求項1記載の発明のエンジンバルブに
よれば、従来のような窒化処理やメッキ等の表面処理に
よることなく、酸化層により、他の動弁部品との接触部
の耐摩耗性が向上させられ、かつ浸炭層により、弁体の
表面の耐摩耗性及び疲労強度はさらに向上させられる。
【0034】請求項2記載の発明によれば、酸化層の下
層を部分的に針状組織としているため、弁体全体の疲労
強度を低下させずに、耐摩耗性や靭性をより向上させる
ことができる。
【0035】請求項3記載の発明によれば、弁体自身の
引張延性や疲労強度が高いので、強靱で長寿命のバルブ
が得られる。
【0036】請求項4記載の発明の表面処理方法によれ
ば、弁体内部の組織を変化させることなく容易に酸化層
や浸炭層を形成することができ、耐摩耗性に優れるエン
ジンバルブが得られる。
【0037】請求項5記載の発明によれば、弁体の表層
のみを、局部的に短時間で加熱して浸炭層を形成しうる
ので、弁体内部に熱が伝わり、弁体自身が有している疲
労強度が低下することはない。
【0038】請求項6記載の発明によれば、火炎に含ま
れる酸素を拡散浸透させて、酸化層の中にTiO2の硬質
の酸化物を容易に析出させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のエンジンバルブの中央縦断正面図であ
る。
【図2】摩耗試験機と、それによる本発明の試験片の摩
耗試験の方法を示す正面図である。
【図3】摩耗試験の結果をグラフ化した図である。
【符号の説明】
(1)軸部 (2)傘部 (3)弁体 (4)酸化層 (4a)境界層 (5)弁フェース部 (6)中間部 (7)環状凹溝 (8)軸端面 (9)浸炭層 (10)モータ (10a)回転軸 (11)固定治具 (12)錘 (13)チップ (14)試験片
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C22F 1/00 630 C22F 1/00 630D 651 651B (72)発明者 羽田 亮介 神奈川県藤沢市円行一丁目22番地の1 フ ジオーゼックス株式会社内 (72)発明者 廣瀬 正仁 神奈川県藤沢市円行一丁目22番地の1 フ ジオーゼックス株式会社内 Fターム(参考) 4G047 CA01 CA02 CB04 CC03 CD07

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 軸部の一端に傘部が連設されたチタン合
    金よりなる弁体における他の動弁部品と接触する部分の
    表面に、酸化層を形成するとともに、その酸化層を含む
    少なくとも耐摩耗性又は疲労強度の要求される弁体の表
    面に、浸炭層を形成したことを特徴とするチタン合金製
    エンジンバルブ。
  2. 【請求項2】 酸化層の下層を針状組織とした請求項1
    記載のチタン合金製エンジンバルブ。
  3. 【請求項3】 弁体を、α相、α+β相、少量のβ相を
    含むα+β相、又はβ相よりなるチタン合金のいずれか
    により形成した請求項1又は2記載のチタン合金製エン
    ジンバルブ。
  4. 【請求項4】 チタン合金よりなる弁体の他の動弁部品
    と接触する部分の表面を、酸素を含む雰囲気中で加熱し
    て酸化させることにより、酸化層を形成したのち、その
    酸化層を含む少なくとも耐摩耗性又は疲労強度の要求さ
    れる弁体の表面を、変態点以下の温度に加熱して浸炭処
    理を施して、浸炭層を形成することを特徴とするチタン
    合金製エンジンバルブの表面処理方法。
  5. 【請求項5】 浸炭処理を、高密度エネルギ加熱手段を
    用いて行うことを特徴とする請求項4記載のチタン合金
    製エンジンバルブの表面処理方法。
  6. 【請求項6】 酸化層を、酸素を含む火炎により形成す
    ることを特徴とする請求項4または5記載のチタン合金
    製エンジンバルブの表面処理方法。
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US09/411,285 US6131603A (en) 1999-08-10 1999-10-04 Ti alloy poppet valve and surface treatment thereof
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008240645A (ja) * 2007-03-27 2008-10-09 Aisan Ind Co Ltd エンジンバルブ及びその製造方法
JP2016160452A (ja) * 2015-02-27 2016-09-05 国立大学法人東北大学 表面被覆が形成されたチタン銅合金材及びその製造方法
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US11027454B2 (en) 2016-02-05 2021-06-08 Japan Fine Ceramics Center Method for producing ceramic sintered body, and method and device for producing ceramic molded body

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